Pour la première fois, des chercheurs ont réussi à démontrer l’édition génétique de précision du miscanthus, une culture pérenne prometteuse pour la production resilient de bioénergie.
Une équipe du Heart for State-of-the-art Bioenergy and Bioproducts Innovation (CABBI), un centre de recherche sur la bioénergie (BRC) financé par le Département américain de l’énergie, a modifié les génomes de trois espèces de miscanthus à l’aide de CRISPR/Cas9 – une méthode beaucoup plus ciblée et efficace développer de nouvelles variétés que les méthodes précédentes.
Les résultats accéléreront les efforts pour exploiter l’énorme potentiel de cette herbe hautement successful mais génétiquement complexe comme resource de biocarburants, de bioproduits renouvelables et de séquestration du carbone. L’étude, publiée dans Biotechnology for Biofuels and Bioproducts, a été dirigée par trois chercheurs de CABBI miscanthus à l’Institut HudsonAlpha de biotechnologie en Alabama – le chercheur de la faculté Kankshita Swaminathan, l’associé de recherche Anthony Trieu et l’ancien chercheur postdoctoral Mohammad Belaffif – et Nancy Reichert, professeur des sciences biologiques à l’Université d’État du Mississippi.
Swaminathan a codirigé une équipe internationale qui a séquencé le génome du miscanthus en 2020. Ce travail a fourni une feuille de route aux chercheurs explorant de nouvelles façons de maximiser la productivité de la plante et de déchiffrer la base génétique de ses traits souhaitables. Miscanthus est extrêmement adaptable et facile à cultiver. Il peut prospérer sur des terres marginales, nécessite une fertilisation limitée, a une tolérance élevée à la sécheresse et aux températures fraîches et utilise la forme de photosynthèse C4 la in addition efficace.
À ce jour, les endeavours pour améliorer génétiquement le miscanthus se sont concentrés sur la transformation des plantes en introduisant des gènes externes à des endroits aléatoires dans leurs génomes, plutôt que de cibler des web pages spécifiques ou de modifier des gènes existants.
L’équipe du CABBI a développé des procédures d’édition de gènes à l’aide de CRISPR/Cas9 qui permettront aux chercheurs de cibler sélectivement les gènes existants dans les plantes de miscanthus pour supprimer ou modifier leur fonction et introduire de nouveaux gènes dans des emplacements précis. Cette capacité de ciblage présente une nouvelle voie pour l’amélioration génétique de cette importante lifestyle de biomasse.
L’étude a démontré l’édition de gènes chez trois espèces de miscanthus – le très productif Miscanthus x giganteus, qui est cultivé commercialement pour la bioénergie, et ses mothers and fathers, M. sacchariflorus et M. sinensis. Étant donné que ces plantes sont des paléopolyploïdes – avec un ADN de form sorgho ancien dupliqué et de multiples ensembles de chromosomes – la conception des ARN guides qui localisent le matériel génétique pour l’édition nécessaire pour cibler toutes les copies d’un gène, pour tenir compte de la redondance et assurer un “KO” complet.
Les chercheurs du CABBI se sont appuyés sur une édition de gènes similaire chez Zea mays (maïs), qui a identifié le gène citron blanc 1 (lw1) comme une cible utile pour la confirmation visuelle des changements génétiques. Ce gène est impliqué dans la biosynthèse de la chlorophylle et des caroténoïdes, qui affecte la couleur des feuilles, et des études antérieures ont démontré que l’édition de lw1 via CRISPR/Cas9 produisait des phénotypes de feuilles vert pâle/jaune, rayé ou blanc.
En utilisant les informations de séquence du miscanthus et du sorgho, les chercheurs ont identifié des ARN guides qui pourraient cibler des homéologues, ou des copies de gènes dupliqués, de lw1 dans les tissus végétaux de miscanthus. Les feuilles des plantes de miscanthus éditées présentaient les mêmes phénotypes trouvés dans le maïs, avec des feuilles vert pâle/jaune, rayées ou blanches au lieu du vert typique.
Le travail renforce la mission de CABBI de développer une creation resilient de bioénergie et de concevoir des matières premières sélectionnées (miscanthus, sorgho et canne à sucre) pour produire de nouveaux bioproduits, tels que des huiles et des produits chimiques spécialisés. Avant cette étude, les travaux de bio-ingénierie se limitaient au sorgho et à la canne car les méthodes d’ingénierie précise du miscanthus n’avaient pas été développées.
“L’identification du matériel génétique transformable, le développement de méthodes de transformation fiables et la démonstration de l’édition de gènes dans le miscanthus sont toutes des étapes cruciales vers l’ingénierie des voies dans le miscanthus”, a déclaré Swaminathan. “La capacité de modifier avec précision le miscanthus pour améliorer la productivité, permettre une croissance go on sur des terres marginales et produire des produits chimiques spécialisés tels que des huiles aidera à supprimer le” potentiel “de son statut de lifestyle bioénergétique practical.
“Cette recherche nous aide à faire quelques pas de furthermore vers la réduction de notre dépendance à l’énergie à base de pétrole.”
Pour identifier les lignées de miscanthus qui se sont bien transformées, les chercheurs ont passé au crible le matériel génétique des fournisseurs commerciaux et des collaborateurs de l’étude. La plupart des lignées ont été fournies par le co-auteur Erik Sacks, professeur de sciences des cultures à l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign, qui a collecté du matériel génétique dans le monde entier. Sacks et Swaminathan sont les chefs de thème adjoints pour la recherche sur la generation de matières premières du CABBI.
“Ce projet de recherche était un effort hautement collaboratif et multi-institutionnel avec des chercheurs travaillant dans toutes les disciplines pour atteindre un objectif vital. Il a renforcé l’approche” globale “de la recherche au sein du CABBI, ainsi que dans d’autres BRC”, a déclaré Reichert.
Les autres co-auteurs du CABBI de l’étude comprenaient Steve Moose, professeur de sciences des cultures à l’Illinois Tom Clemente, professeur émérite Eugene W. Value de biotechnologie au Centre d’innovation en sciences végétales de l’Université du Nebraska La chercheuse postdoctorale Pradeepa Hirannaiah, la technicienne Shilpa Manjunatha, la stagiaire Rebekah Wood et la spécialiste du développement de la main-d’œuvre Yokshitha Bathula, toutes de HudsonAlpha et l’associée de recherche Rebecca Billingsley et l’étudiante diplômée Anjali Arpan de l’État du Mississippi.